用于分子数据存储的写入系统、写入方法和写入控制设备与流程

本公开涉及分子存储，具体来说，涉及一种用于分子数据存储、例如dna数据存储的写入系统、写入方法和写入控制设备。

背景技术：

1、随着信息技术的大幅发展，人们对于数据存储的需求也在迅速提高。传统的数据存储介质包括硬盘、闪存、磁带、光盘等，其存在存储密度低、保存时间短、能耗高等问题。为了实现更高的存储密度和更可靠的存储效果，目前已提出了在分子中存储信息的相关方法和设备。以dna分子进行数据存储为例，其存储密度理论上可以达到传统存储介质的106至107倍以上，数量级地降低数据存储运行和维护的费用。此外，dna还非常稳定，在干燥低温的条件下，其中的数据可以保存千年以上。另外，在碳排放和能耗、数据安全、便携性等方面，dna存储相比于传统的存储方式也有着非常大的优势。

2、然而，当下还缺乏一种合适的用于分子数据存储的写入系统和写入方法，使得在写入质量、写入速度和/或写入成本等写入性能上可以获取令人满意的表现。因此，存在对现有分子数据存储的写入技术进行改进的需求。

技术实现思路

1、本公开的目的之一是提供一种在用于分子数据存储的写入技术方面得以改进的写入系统、写入方法和写入控制设备。

2、根据本公开的第一方面，提供一种用于分子数据存储的写入系统，其特征在于，所述写入系统包括：

3、编码数据解析单元，被配置为获取经编码的分子模块组装数据，并将分子模块组装数据解析成写入过程控制指令；

4、贮蓄单元，被配置为存储预定种类的分子模块，并根据写入过程控制指令提供相应的分子模块；

5、分配单元，被配置为从贮蓄单元获取相应的分子模块，并根据写入过程控制指令将相应的分子模块分配到基底的预定反应位点上，其中，在每个所述预定反应位点上分别被提供有对于一种或多种预定的反应过程所需的分子模块；以及

6、反应单元，被配置为促使在基底的每个所述预定反应位点上分别进行一种或多种预定的反应过程，以便在基底的每个所述预定反应位点上分别生成一种或多种预定的组合物。

7、在一些实施例中，所述编码数据解析单元包括编码模块，所述编码模块被配置为获取用于分子数据存储的初始信息，并将所述初始信息编码成所述分子模块组装数据。

8、在一些实施例中，所述分子模块组装数据包括位置编码数据和与位置编码数据相关联的内容编码数据。

9、在一些实施例中，所述分子模块组装数据构成为经简并性计算的分子模块组装数据，使得针对至少一部分预定反应位点的内容编码数据分别涉及对于多种预定的反应过程所需的分子模块，以用于在基底的所述至少一部分预定反应位点上分别生成相应的多种预定的组合物。

10、在一些实施例中，所述编码数据解析单元包括翻译模块，所述翻译模块被配置为获取分子模块组装数据，并将分子模块组装数据转换成写入过程控制指令，所述写入过程控制指令包括用于贮蓄单元的分子模块调度指令和用于分配单元的分子模块分配指令。

11、在一些实施例中，所述贮蓄单元包括用于多种预定的分子模块的多个贮蓄器，其中，在相应的贮蓄器内存储有溶液和溶于溶液中的分子模块，和/或所述贮蓄单元包括用于存储参与反应过程的酶的贮蓄器。

12、在一些实施例中，在相应的贮蓄器内存储有添加助剂，所述添加助剂被配置为促进相应的分子模块所参与的反应过程和/或促进分配单元对相应的分子模块的分配过程。

13、在一些实施例中，所述添加助剂包括盐、甘油、聚乙二醇和/或表面活性剂。

14、在一些实施例中，所述贮蓄单元包括分子模块供应装置，所述分子模块供应装置经由多路供应管路将相应的贮蓄器与分配单元相连接，以用于根据写入过程控制指令将相应的分子模块和/或酶经由相应的供应管路提供给分配单元。

15、在一些实施例中，所述贮蓄单元包括分子模块制备装置，所述分子模块制备装置被配置为合成预定的分子模块和/或复制预定的分子模块。

16、在一些实施例中，所述分配单元包括打印喷头和用于操控打印喷头的打印过程的写入控制设备，所述写入控制设备被配置为根据写入过程控制指令来操控打印喷头与基底之间的相对位移，使得打印喷头符合分子模块组装数据地将含有相应的分子模块的反应液滴分配到基底的预定反应位点上。

17、在一些实施例中，所述打印喷头被配置为以扫描式打印或单遍历式打印的方式将含有相应的分子模块的反应液滴分配到基底的预定反应位点上。

18、在一些实施例中，所述分配单元包括多个打印喷头，所述多个打印喷头形成：

19、-平行于基底运动方向的单列排布；

20、-平行与打印喷头运动方向的单行排布；

21、-矩阵式排布；或

22、-不规则排布。

23、在一些实施例中，每个打印喷头包括多个喷口，所述多个喷口分别被配置为将含有预定的分子模块的纳升级或皮升级的反应液滴分配到基底的预定反应位点上。

24、在一些实施例中，所述写入控制设备被配置为根据写入过程控制指令来操控打印喷头的打印过程，使得在基底的第一部分预定反应位点上分别被分配对于第一数量预定的反应过程所需的分子模块，以便在第一部分预定反应位点上分别生成相应的第一数量预定的组合物，并且使得在基底的第二部分预定反应位点上分别被分配对于第二数量预定的反应过程所需的分子模块，以便在第二部分预定反应位点上分别生成相应的第二数量预定的组合物，其中，第一数量大于第二数量。

25、在一些实施例中，所述写入控制设备被配置为根据写入过程控制指令来操控打印喷头的打印过程，使得在基底的第一部分预定反应位点上分别被分配对于多种预定的反应过程所需的分子模块，以便在第一部分预定反应位点上分别生成相应的多种预定的组合物，并且使得在基底的第二部分预定反应位点上分别被分配对于仅一种预定的反应过程所需的分子模块，以便在第二部分预定反应位点上分别生成相应的仅一种预定的组合物。

26、在一些实施例中，相对于第二部分预定反应位点，第一部分预定反应位点分别在基底上占据更大面积。

27、在一些实施例中，相对于第二部分预定反应位点，第一部分预定反应位点分别被分配有更多种分子模块。

28、在一些实施例中，相对于第二部分预定反应位点，第一部分预定反应位点分别被分配有更大体积的反应液滴。

29、在一些实施例中，所述打印喷头包括压电喷头、热发泡喷头、或电磁阀喷头。

30、在一些实施例中，所述基底构成为连续式基底并且按照卷对卷的形式转运。

31、在一些实施例中，所述基底构成为分离式基底并且按照片对片的形式转运。

32、在一些实施例中，所述分配单元包括静电消除装置，以用于为基底消除静电。

33、在一些实施例中，所述静电消除装置构成为离子流静电消除器、放射性同位素静电消除器、或无火花式静电消除器。

34、在一些实施例中，所述分配单元包括清洗液腔体和清洗管路，在所述清洗液腔体内存储有用于对打印喷头以及相关的清洗管路进行清洗的清洗液。

35、在一些实施例中，所述分配单元包括分配检测模块，所述分配检测模块被配置为检测打印喷头对反应液滴的分配准确性。

36、在一些实施例中，所述分配检测模块包括显微镜装置和/或图像采集装置。

37、在一些实施例中，所述图像采集装置被配置为获取基底的至少部分区域的第一检测图像。

38、在一些实施例中，所述分配单元包括测试区域，所述写入控制设备被配置为根据测试指令来操控打印喷头的打印过程，使得打印喷头将含有预定的分子模块的反应液滴分配到测试区域的预定测试位点上。

39、在一些实施例中，所述图像采集装置被配置为获取测试区域的第二检测图像。

40、在一些实施例中，所述分配检测模块包括分析装置，在所述分析装置内存储有与基底的所述至少部分区域有关的第一期望图像和/或与测试区域有关的第二期望图像，所述分析装置被配置为将第一检测图像与第一期望图像和/或将第二检测图像与第二期望图像进行比较。

41、在一些实施例中，所述分析装置被配置为在图像中反应液滴的位置分布、反应液滴的尺寸和/或反应液滴的颜色方面对第一检测图像与第一期望图像和/或第二检测图像与第二期望图像进行比较。

42、在一些实施例中，所述分析装置被配置为：当查明第一检测图像与第一期望图像和/或第二检测图像与第二期望图像存在差异性时，生成反馈数据，以便反馈所述差异性。

43、在一些实施例中，所述反馈数据构成为反馈表格，所述反馈表格呈现具体的差异性以及涉及所述差异性的反应液滴的位置。

44、在一些实施例中，所述写入控制设备被配置为基于所述反馈数据操控打印喷头的打印过程，使得打印喷头对基底进行补充打印。

45、在一些实施例中，所述分配单元包括预处理模块，所述预处理模块被配置为对基底进行预处理。

46、在一些实施例中，所述预处理模块被配置为：对基底的预定反应位点进行亲水处理，和/或对基底的预定反应位点之外的区域进行疏水处理。

47、在一些实施例中，所述反应单元包括酶添加装置，以用于在基底的预定反应位点上添加酶。

48、在一些实施例中，所述反应单元包括物理震荡模块，所述物理震荡模块被配置为优化在基底的预定反应位点上的各反应液滴的混合。

49、在一些实施例中，所述反应单元包括油性液滴添加装置，以用于在基底的预定反应位点上添加油性液滴，以使得油性液滴包围反应液滴，从而降低反应液滴的挥发。

50、在一些实施例中，所述反应单元包括恒温恒湿的控制箱，在所述控制箱内设置有供基底回转通过的多个辊子。

51、在一些实施例中，所述写入系统包括终止反应单元，以用于终止基底的预定反应位点上的反应，

52、其中，所述终止反应单元包括：

53、调温装置和/或调湿装置，其被配置为使酶失活；和/或

54、终止化学物添加装置，其被配置为向基底添加终止化学物。

55、在一些实施例中，所述终止化学物包括乙二胺四乙酸、和/或高于预定浓度的盐。

56、在一些实施例中，所述写入系统包括反应液滴洗脱单元，所述反应液滴洗脱单元被配置为用于将含有组合物的反应液滴从基底上洗脱到水相介质或油相介质中。

57、在一些实施例中，所述写入系统包括反应液滴收集单元，所述反应液滴收集单元被配置为接收由反应液滴洗脱单元洗脱的含有组合物的反应液滴。

58、在一些实施例中，所述反应液滴收集单元包括组合物处理模块，所述组合物处理模块被配置为：

59、从洗脱的反应液滴中筛选出有效的组合物；和

60、通过预定的扩增方式对有效的组合物进行备份。

61、在一些实施例中，所述组合物处理模块被配置为：在进行筛选之前，对洗脱的反应液滴进行富集收集处理。

62、在一些实施例中，富集收集处理通过如下方式进行：

63、通过过柱和/或过膜对洗脱的反应液滴进行除水相处理；和

64、通过洗脱液、磁珠法、冷冻干燥法和/或加热干燥法来收集有效的组合物。

65、在一些实施例中，所述写入系统包括分子数据传递模块，所述分子数据传递模块被配置为将有效的组合物的集合传递给分子数据存储器。

66、在一些实施例中，分子模块包括脱氧核糖核酸、核糖核酸、肽、有机聚合物和间隔设置的分子片段中的至少一者。

67、在一些实施例中，采用分子模块的序列分布、序列长度、二级结构中的至少一者来区分各种分子模块。

68、在一些实施例中，所述分子模块组装数据的内容编码数据包括内容信息编码数据和与内容信息相关联的特性信息编码数据。

69、在一些实施例中，编码数据解析单元被配置为获取以第一矩阵形式的分子模块组装数据，在第一矩阵中存储有与基底的预定反应位点相关联的组装信息。

70、在一些实施例中，编码数据解析单元被配置为将第一矩阵转换成第二矩阵，在所述第二矩阵内存储有用于分子模块分配的操作指令。

71、在一些实施例中，编码数据解析单元被配置为将第一矩阵转换成与分配单元中的多个打印喷头相关联的多个第二矩阵。

72、在一些实施例中，在每个第二矩阵内存储有用于相应的打印喷头的操作指令。

73、在一些实施例中，编码数据解析单元被配置为将第二矩阵内存储的各个操作指令组合成写入过程控制指令。

74、根据本公开的第二方面，提供一种用于分子数据存储的写入方法，所述写入方法包括：

75、获取由经编码的分子模块组装数据转换而成的写入过程控制指令，所述分子模块组装数据包括位置编码数据和与位置编码数据相关联的内容编码数据；

76、根据写入过程控制指令将相应的分子模块分配到基底的预定反应位点，其中，在每个所述预定反应位点上分别提供对于一种或多种预定的反应过程所需的分子模块，以便在基底的每个所述预定反应位点上分别生成一种或多种预定的组合物。

77、在一些实施例中，所述分子模块组装数据构成为经简并性计算的分子模块组装数据，使得针对至少一部分预定反应位点的内容编码数据分别涉及对于多种预定的反应过程所需的分子模块，以用于在基底的所述至少一部分预定反应位点上分别生成相应的多种预定的组合物。

78、在一些实施例中，“根据写入过程控制指令将相应的分子模块分配到基底的预定反应位点”包括：

79、根据写入过程控制指令操控打印喷头与基底之间的相对位移，使得打印喷头符合分子模块组装数据地以扫描式打印或单遍历式打印的方式将含有相应的分子模块的反应液滴分配到基底的预定反应位点上。

80、在一些实施例中，“根据写入过程控制指令将相应的分子模块分配到基底的预定反应位点”包括：

81、根据写入过程控制指令来操控打印喷头的打印过程，使得在基底的第一部分预定反应位点上分别被分配涉及对于第一数量预定的反应过程所需的分子模块，以便在第一部分预定反应位点上分别生成相应的第一数量预定的组合物，其中，第一数量大于等于二，和/或

82、根据写入过程控制指令来操控打印喷头的打印过程，使得在基底的第二部分预定反应位点上分别被分配涉及对于第二数量预定的反应过程所需的分子模块，以便在第二部分预定反应位点上分别生成相应的第二数量预定的组合物，其中，第二数量小于第一数量。

83、在一些实施例中，“根据写入过程控制指令将相应的分子模块分配到基底的预定反应位点”包括：

84、根据写入过程控制指令来操控打印喷头的打印过程，使得在基底的第一部分预定反应位点上分别被分配涉及对于多种预定的反应过程所需的分子模块，以便在第一部分预定反应位点上分别生成相应的多种预定的组合物，和/或

85、根据写入过程控制指令来操控打印喷头的打印过程，使得在基底的第二部分预定反应位点上分别被分配涉及对于仅一种预定的反应过程所需的分子模块，以便在第二部分预定反应位点上分别生成相应的仅一种预定的组合物。

86、在一些实施例中，相对于第二部分预定反应位点，

87、-第一部分预定反应位点分别在基底上占据更大面积；

88、-第一部分预定反应位点分别被分配有更多种分子模块；和/或

89、-第一部分预定反应位点分别被分配有更大体积的反应液滴。

90、在一些实施例中，所述写入方法包括：借助于静电消除装置对基底进行静电消除处理。

91、在一些实施例中，所述静电消除装置构成为离子流静电消除器、放射性同位素静电消除器、或无火花式静电消除器。

92、在一些实施例中，所述写入方法包括：借助于分配检测模块对反应液滴的分配准确性进行检测。

93、在一些实施例中，“借助于分配检测模块对反应液滴的分配准确性进行检测”包括：

94、获取基底的至少部分区域的第一检测图像，并将第一检测图像与基底的至少部分区域的第一期望图像进行比较；和/或

95、获取测试区域的第二检测图像，并将第二检测图像与测试区域的第二期望图像进行比较。

96、在一些实施例中，所述写入方法包括：就图像中反应液滴的位置分布、反应液滴的尺寸和/或反应液滴的颜色方面对第一检测图像与第一期望图像，和/或第二检测图像与第二期望图像进行比较。

97、在一些实施例中，所述写入方法包括：当查明第一检测图像与第一期望图像，和/或第二检测图像与第二期望图像存在差异性时，生成反馈数据，以便反馈所述差异性。

98、在一些实施例中，所述反馈数据构成为反馈表格，所述反馈表格呈现具体的差异性以及涉及所述差异性的反应液滴的位置。

99、在一些实施例中，所述写入方法包括：基于所述反馈数据对基底进行分子模块的补充分配。

100、在一些实施例中，所述写入方法包括：根据分子模块组装数据对基底进行预处理，其中，所述预处理包括：对基底的预定反应位点进行亲水处理，和/或对基底的预定反应位点之外的区域进行疏水处理。

101、在一些实施例中，所述写入方法包括：根据写入过程控制指令将相应的酶分配到基底的预定反应位点。

102、在一些实施例中，所述写入方法包括：获取用于分子数据存储的初始信息，并将所述初始信息编码成所述分子模块组装数据。

103、在一些实施例中，所述写入方法包括：借助于翻译模块将分子模块组装数据转换成写入过程控制指令，所述写入过程控制指令包括分子模块调度指令和分子模块分配指令。

104、在一些实施例中，所述写入方法包括：借助于物理震荡模块来优化在基底的预定反应位点上的各反应液滴的混合。

105、在一些实施例中，所述写入方法包括：在基底的预定反应位点上添加油性液滴，以使得油性液滴包围反应液滴，从而降低反应液滴的挥发。

106、在一些实施例中，所述写入方法包括：借助于终止反应单元来终止基底的预定反应位点上的反应，

107、其中，所述终止反应单元包括：

108、调温装置和/或调湿装置，其被配置为使酶失活；和/或

109、终止化学物添加装置，其被配置为向基底添加终止化学物。

110、在一些实施例中，所述写入方法包括：借助于反应液滴洗脱单元将含有组合物的反应液滴从基底上洗脱到水相介质或油相介质中。

111、在一些实施例中，所述写入方法包括：借助于反应液滴收集单元接收由含有组合物的反应液滴洗脱单元洗脱的反应液滴。

112、在一些实施例中，所述写入方法包括：从洗脱的反应液滴中筛选出有效的组合物；和

113、通过预定的扩增方式对有效的组合物进行备份。

114、在一些实施例中，所述写入方法包括：在进行筛选之前，对洗脱的反应液滴进行富集收集处理，其中，富集收集处理通过如下方式进行：

115、通过过柱和/或过膜对洗脱的反应液滴进行除水相处理；和

116、通过洗脱液、磁珠法、冷冻干燥法和/或加热干燥法来收集有效的组合物。

117、在一些实施例中，所述写入方法包括：借助于分子数据传递模块被配置为将有效的组合物的集合传递至分子数据存储器。

118、在一些实施例中，分子模块包括脱氧核糖核酸、核糖核酸、肽、有机聚合物和间隔设置的分子片段中的至少一者。

119、在一些实施例中，所述写入方法包括：采用分子模块的序列分布、序列长度中的至少一者来区分各种分子模块。

120、在一些实施例中，所述分子模块组装数据的内容编码数据包括内容信息编码数据和与内容信息相关联的特性信息编码数据。

121、在一些实施例中，所述写入方法包括：

122、获取以第一矩阵形式的分子模块组装数据，在第一矩阵中存储有与基底的预定反应位点相关联的组装信息。

123、在一些实施例中，所述写入方法包括：

124、将第一矩阵转换成第二矩阵，在所述第二矩阵内存储有用于分子模块分配的操作指令。

125、在一些实施例中，所述写入方法包括：

126、将第一矩阵转换成与分配单元中的多个打印喷头相关联的多个第二矩阵。

127、在一些实施例中，在每个第二矩阵内存储有用于相应的打印喷头的操作指令。

128、在一些实施例中，所述写入方法包括：

129、将第二矩阵内存储的各个操作指令组合成写入过程控制指令。

130、根据本公开的第三方面，提供一种用于分子数据存储的写入控制设备，其特征在于，所述写入控制设备包括：

131、至少一个存储器，在其中存储有写入过程控制指令；以及

132、至少一个处理器，其被配置为用于执行写入过程控制指令，其中，所述至少一个处理器在执行所述写入过程控制指令时实施根据本公开一些实施例所述的方法。

133、根据本公开的第四方面，提供一种用于分子数据存储的编码数据解析单元，其特征在于，所述编码数据解析单元包括：

134、分子数据编码系统，其被配置为获取待存储的初始信息，并将所述待存储的初始信息转换成经编码的分子模块组装数据，所述分子模块组装数据包括位置编码数据和与位置编码数据相关联的内容编码数据；

135、分子数据编码翻译系统，其被配置为获取经编码的分子模块组装数据，并将分子模块组装数据解析成写入过程控制指令，

136、其中，所述分子数据编码翻译系统被配置为：

137、-获取由各种分子模块组装数据形成的第一矩阵，在第一矩阵中存储有与基底的预定反应位点相关联的组装信息；

138、-将第一矩阵转换成第二矩阵，在所述第二矩阵内存储有用于分子模块分配的操作指令；

139、-将第二矩阵内存储的各个操作指令组合成写入过程控制指令。

140、在一些实施例中，所述分子数据编码翻译系统被配置为：将第一矩阵转换成与分配单元中的多个打印喷头相关联的多个第二矩阵，在每个第二矩阵内存储有用于相应的打印喷头的操作指令。

141、在一些实施例中，分子数据编码系统被配置为将分子模块组装数据的内容编码数据配置成包括内容信息编码数据和与内容信息相关联的特性信息编码数据。

142、根据本公开的第五方面，提供一种用于分子数据存储的分配单元，其特征在于，所述分配单元包括：

143、分子模块分配系统，包括至少一个打印喷头；

144、分子模块分配控制系统，包括根据本公开所述的写入控制设备，所述写入控制设备配置为控制分子模块分配系统的打印喷头在基底上的打印过程。

145、在一些实施例中，所述分配单元包括静电消除装置，以用于为基底消除静电。

146、在一些实施例中，所述静电消除装置构成为离子流静电消除器、放射性同位素静电消除器、或无火花式静电消除器。

147、在一些实施例中，所述分配单元包括清洗液腔体和清洗管路，在所述清洗液腔体内存储有用于对打印喷头以及相关的清洗管路进行清洗的清洗液。

148、在一些实施例中，所述分配单元包括分配检测模块，所述分配检测模块被配置为检测打印喷头对反应液滴的分配准确性。

149、在一些实施例中，所述分配检测模块包括显微镜装置和/或图像采集装置。

150、在一些实施例中，所述图像采集装置被配置为获取基底的至少部分区域的第一检测图像。

151、在一些实施例中，所述分配单元包括测试区域，所述写入控制设备被配置为根据测试指令来操控打印喷头的打印过程，使得打印喷头将含有预定的分子模块的反应液滴分配到测试区域的预定测试位点上。

152、在一些实施例中，所述图像采集装置被配置为获取测试区域的第二检测图像。

153、在一些实施例中，所述分配检测模块包括分析装置，在所述分析装置内存储有与基底的所述至少部分区域有关的第一期望图像和/或与测试区域有关的第二期望图像，所述分析装置被配置为将第一检测图像与第一期望图像和/或将第二检测图像与第二期望图像进行比较。

154、在一些实施例中，所述分析装置被配置为在图像中反应液滴的位置分布、反应液滴的尺寸和/或反应液滴的颜色方面对第一检测图像与第一期望图像和/或第二检测图像与第二期望图像进行比较。

155、在一些实施例中，所述分析装置被配置为：当查明第一检测图像与第一期望图像和/或第二检测图像与第二期望图像存在差异性时，生成反馈数据，以便反馈所述差异性。

156、在一些实施例中，所述反馈数据构成为反馈表格，所述反馈表格呈现具体的差异性以及涉及所述差异性的反应液滴的位置。

157、在一些实施例中，所述写入控制设备被配置为基于所述反馈数据操控打印喷头的打印过程，使得打印喷头对基底进行补充打印。

158、在一些实施例中，所述分配单元包括预处理模块，所述预处理模块被配置为对基底进行预处理。

159、在一些实施例中，所述预处理模块被配置为：对基底的预定反应位点进行亲水处理，和/或对基底的预定反应位点之外的区域进行疏水处理。

160、通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。